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1、3.2 PN结的形成及特性,P是指的P型半导体，N指的是N型半导体，当一块纯净的半导体一半掺杂为N型，一半掺杂为P型，那么在两个区域之间就形成了一个PN结（结是指的N型半导体和P型半导体的交接的介面上），首先看一下PN结是怎么形成的？在同一片半导体基片上，分别制造了P型半导体和N型半导体.P型半导体的多子是什么？空穴 N型半导体的多子是什么？自由电子.如果把他们接到一块，在他们的介面上就会存在截流子的浓度差，如果存在浓度差，就会形成一系列的结果。,3.2.1 载流子的漂移与扩散,N,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,
2、+,+,+,+,+,+,+,+,以N型半导体为基片,通过半导体扩散工艺,使半导体的一边形成N型区，另一边形成P型区。,左边是P型半导体，右边是N型半导体。P型半导体里面还画出了它的少子（自由电子）（一个小点），N型半导体里面也画出了它的少子（空穴）（一个小圆圈）.,P 型半导体,N 型半导体,少子(自由电子),少子(空穴),N区有许多自由电子（多数载流子）和几个由于热产生的空穴（少数载流子），而P区有许多空穴（多数载流子）和几个由于热产生的自由电子（少数电子）。PN结构成了基本的二极管。二极管是只允许电流往一个方向流动的元件。,P 型半导体,N 型半导体,少子(自由电子),少子(空穴),(1)
3、在浓度差的作用下，电子从 N区向P区扩散。,(2)在浓度差的作用下，空穴从 P区向N区扩散。,在浓度差的作用下，两边多子互相扩散。由于他们的量比较大，我们称作多子在进行扩散运动.,空间电荷层,扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽。,形成内电场,内电场(E)方向,一旦扩散以后，在它的介面上，就剩下了正离子和负离子，这时候就存形成一个电场.方向是从带正电的N区指向带负电的P区。这个电场是在内部形成的，称为内电场E.,电场的的方向是从正离子往负离子走。电场的作用就会促进少数载流子的运动，自由电子从低电位往髙电位走，空穴是从髙电位往底电位走，由于少子的运动很弱(数量很少)，少子的运动叫做漂移运动。,内电场
4、会促进少子的漂移运动，也抑制了多子的扩散运动，虽然少子的量很少，随着漂移的增强，而扩散是越来越弱，最终会达到一种平衡。此时我们在这个空间就相当于有这么一个结，这个结不是面，是一段宽度，这段宽度就叫做PN结。,内电场(E)方向,3.2.2 PN 结的形成,PN结一方面阻碍多子的扩散，另一方面加速少子的漂移,P 型半导体,N 型半导体,扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽。,内电场越强，漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。,因为在PN结上只剩下了正负离子(正负电荷)，也可以称作空间电荷区.N区中的导电电子为了进入P区，必须克服正离子的吸引和负离子的排斥力。在粒子层建立后，PN结内的区域实际上已经耗尽
5、了导电电子和空穴，所以PN结也称作是耗尽层。,空间电荷层,在P区和N区交界面上，留下了一层不能移动的正、负离子。在介面上自由电子和空穴就结合了。,形成电位势垒,电场的的方向是从髙电位往底电位走，就是从正离子往负离子走，于是N区一边的电位高于P区一边，如图所示。,当扩散与漂移作用平衡时,a.流过PN结的净电流为零,b.PN结的厚度一定（约几个微米）,c.接触电位一定（约零点几伏）,PN结形成过程动画演示,扩散使PN结变宽，使它的内电场变强，而漂移的作用又使空间电荷区变薄，最终PN结稳定在一定的宽度.P型半导体和N型半导体一结合，在交界面上形成了稳定的电层，我们利用PN结的这个特性了解它是如何具备
6、单向导电性.还要利用这个特性设计制造二极管和三极管。,1.空间电荷区中没有载流子。只剩下正负离子.,2.空间电荷区由于存在内电场，内电场阻碍P区中的空穴(多子)运动.由于多子很多我们称作扩散运动。促进了少子的漂移运动.，,3.P 区中的电子和N区中的空穴（都是少），数量有限，因此由它们形成的电流很小。,小结,4.随着内电场的增强，扩散运动越来越缓慢，此时它就达到了动态平衡.,一个PN结就是一个二极管，在平衡状态下，PN结中没有电流。PN结最重要的特性是单向导电特性。,实验：PN结的导电性。按如下方式进行PN结导电性的实验，因为PN结加上封装外壳和电极引线就是二极管，所以拿一个二极管来当成PN结
7、。P区为正极；N区为负极。对于图示的实验电路。,二极管正向连接,二极管反向连接,3.2.3 PN结的单向导电性,仿真P,此时发光二极管发光，说明PN结导电。,若P区的电位高于N区，电流从P区流到N区，PN结呈低阻性，所以电流大；,PN结正向偏置 当外加直流电压使PN结P型半导体的一端的电位高于N型半导体一端的电位时（也就是允许电流流过PN结的条件），称PN结正向偏置，简称正偏。,注：偏置就是指加在半导体元件上设置其工作条件的固定直流电压。,PN结正向偏置,当直流电源将二极管正向偏置后，由于静电场的作用，电源的负端将N区中的导电电子推向PN结，而电源的正端也将P区中的空穴推向PN结。,当外加的偏
8、置电压足以克服势垒电位时，电子就有足够的能量进入耗尽层并越过PN结。与P区中空穴复合。当这些电子离开N区后，会有更多的电子从电源的负端流出。,因此，导电电子（多数载流子）朝着PN结方向的移动产生了N区的电流。这些导电电子进入P区后与空穴复合，变成价电子。然后，价电子会一个一个空穴地向阳极方向移动。,价电子的移动实际上产生了空穴反方向的移动。所以P区中电流是由空穴（多数载流子）朝着PN结方向移动产生的。,PN结正偏动画演示,外电场削弱内电场,耗尽层变窄,扩散运动漂移运动,多子扩散形成正向电流I F,PN结内的电流由起支配地位的扩散电流决定，称为正向电流。,此时发光二极管不发光，说明PN结不导电。
9、这个实验说明PN结（二极管）具有单向导电性。,若P区的电位低于N区，电流从N区流到P区，PN结呈高阻性，所以电流小。,PN结反向偏置 当外加直流电压使PN结N型半导体的一端的电位高于P型半导体一端的电位时（阻止电流流过PN结的偏置条件），称PN结反向偏置，简称反偏。,仿真P,2PN结反向偏置,PN结变宽,2PN结反向偏置,反向偏置是阻止电流流过PN结的偏置条件。,由于异性电荷相互吸引，电源的负端吸引P区中的空穴，而电源的正端吸引N区中的电子，使空穴和电子均远离PN结。,因此，耗尽层变宽，N区中的正离子和P区中的负离子增加，直到两边的势垒差等于外加偏置电压。因此，当二极管反相偏置时，耗尽层相当于
10、两个反相的带电离子层之间的绝缘体。,内电场增强,PN结变宽,PN结呈现高阻、截止状态,不利多子扩散有利少子漂移,2PN结反向偏置,外电场加强内电场耗尽层变宽漂移运动扩散运动少子漂移形成反向电流。,因少子浓度主要与温度有关，此电流称为反向饱和电流。有时候称作漏电流。这个漏电流的多少基本上是由本征激发所决定的.,PN结反偏动画演示,由此可以得出结论：PN结具有单向导电性,PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。演示A02204,PN结加反向电压时的导电情况,按电容的定义,即电压变化将引起
11、电荷变化,从而反映出电容效应。由于二极管的两个极靠的就是PN结，所以极间电容也称作结电容，而结两端加上电压,结内就有电荷的变化,说明结具有电容效应。结极间电容主要具有是两部分两种电容：一部分称作势垒电容，一个叫做扩散电容。,3.2.5 PN结的电容效应,1.势垒电容CB,势垒电容：当外加电压发生改变了，PN结的宽度也要相应发生改变，PN结中里面的正负电荷数量要随之而改变，电荷的改变就好像是电容在充、放电。这显示出来就是一种电容效应，把这种电容效应就称作是势垒电容。势垒区就是积累空间电荷的区域，也就是PN结，当外界电压发生变化时候，PN结中的电荷量发生变化，表现出来的电容就是势垒电容。用B表示。
12、理论推导,阻挡层内电荷量随外加电压变化,势垒电容是由阻挡层内空间电荷引起的。空间电荷区是由不能移动的正负杂质离子所形成的,均具有一定的电荷量,所以在结储存了一定的电荷,当外加电压使阻挡层变宽时,电荷量增加,如图所示.,势垒电容和外加电压的关系,B,2扩散电容CD,P区中电子浓度的分布曲线及电荷的积累图,当PN结加正向电压时,N区的电子扩散到P区,同时P区的空穴也向N区扩散。显然,在PN区交界处(x),载流子的浓度最高。由于扩散运动,离交界处愈远,载流子浓度愈低,这些扩散的载流子在扩散区积累了电荷,总的电荷量相当于图111中曲线以下的部分(图1-11表示了P区电子p的分布)。,扩散电容是PN结在
13、正向电压时,多数载流子在扩散过程中引起电荷积累而产生的。,若PN结正向电压加大,则多数载流子扩散加强,电荷积累由曲线1变为曲线2,电荷增加量为Q；反之,若正向电压减少,则积累的电荷将减少。这就是扩散电容效应CD,扩散电容正比于正向电流,即CDI。所以PN结的结电容C包括两部分,即CjCC。一般说来,PN结正偏时,扩散电容起主要作用,；当PN结反偏时,势垒电容起主要作用,即。,P区中电子浓度的分布曲线及电荷的积累图,扩散电容：当外加正向电压不同时，PN结两侧堆积的少子的数量及浓度梯度（电荷中引起的少子）也不同，这样所产生的电容就是扩散电容.,从外部看二极管就有电容效应，二极管对交流信号有电容效应，对直流来说电容就是开路，所以只有在交流的情况下才会表现出来。,CB在正向和反向偏置时均不能忽略。而反向偏置时，由于载流子数目很少，扩散电容可忽略。,PN结高频小信号时的等效电路：,势垒电容和扩散电容的综合效应,
